리튬 이온 배터리 산업의 발전
- 리튬 이온 배터리의 성능 향상과 비용 절감은 지난 10-15년 동안 주요 관심사였다.
- 리튬 이온 배터리의 환경적 및 사회적 영향이 점점 더 많은 비판을 받고 있다.
- 공급망 집중에 대한 우려도 커지고 있으며, 이는 리튬 이온 배터리 수요의 급증과 관련이 있다.
- IDTechEx는 2023-2034년 동안 리튬 이온 배터리 수요가 연평균 16.7% 성장할 것으로 예측하고 있다.
환경적 요구와 규제
- 유럽에서는 배터리 여권이 도입될 예정이며, 이는 탄소 강도에 대한 요구사항을 강제하고 있다.
- 배터리에 포함된 중요 자원(리튬, 코발트, 니켈 등)의 양과 출처에 대한 라벨링이 의무화된다.
- 이러한 규제는 산업이 더욱 지속 가능한 관행을 채택해야 함을 강조하고 있다.
양극재 혁신과 발전
- 현재까지 리튬 이온 배터리 기술의 중요한 발전은 양극재 최적화에 집중되어 있다.
- NMC(니켈 망간 코발트 산화물)와 NCA(니켈 코발트 알루미늄 산화물)와 같은 양극재는 10년 이상 상용화되어 있다.
- 코발트는 리튬 이온 배터리의 주요 원료이며, 셀 비용의 중요한 결정 요소이다.
- 2022년과 같은 고재료 가격 기간 동안, NMC 셀 제조 비용의 60% 이상이 양극재 비용에 기여할 수 있다.
코발트 사용의 역사적 변화
- 역사적으로 NMC 및 NCA형 양극재의 코발트 함량은 지속적으로 감소해 왔으며, 대신 니켈 함량이 증가하고 있다.
- 니켈 함량의 증가는 에너지 밀도를 향상시키는 데 기여하고 있다.
- 현재 기업들은 90% 이상의 니켈 함량을 가진 초고니켈 층상 산화물을 상용화하고 있다.
- 이러한 변화는 입자 구조와 디자인, 코팅 및 전해질 첨가제의 변화에 의해 가능해졌다.
전해질 및 배터리 설계 최적화
- 전해질, 셀, 및 배터리 팩 디자인 최적화는 LFP 배터리의 성능 극대화에 필수적이다.
- LMFP(리튬 망간 철 인산염)는 LFP 발전의 다음 단계로, 양극재에 망간을 포함하여 평균 전압을 높인다.
- LMFP 배터리는 kWh당 필요한 총 자재량을 줄일 수 있어, 배터리 생산의 환경적 영향을 최소화하는 중요한 수단이 된다.
- Li-Mn-rich 및 LNMO(리튬 니켈 망간 산화물)와 같은 대안도 고에너지 밀도와 저비용의 균형을 제공한다.
양극재 제조 혁신
- 재료 혁신 외에도 새로운 양극재 제조 및 합성 방법이 상용화 초기 단계에 있다.
- 이러한 방법은 생산 시간 단축, 물 소비 감소, 에너지 소비 감소를 약속하고 있다.
- 저비용 전구체의 사용을 가능하게 하며, 황산염 폐기물을 제거할 수 있다.
- 현재 공식적인 방법인 공침법과 고체 상태 합성이 여전히 글로벌 양극재 생산에서 지배적이다.
재활용 및 환경적 영향
- 직접 재활용 및 기타 배터리 재활용 경로는 양극재 생산 비용을 낮추고 환경적 영향을 줄이는 별도의 경로를 제공한다.
- 이러한 재활용 방법은 환경적 요구가 엄격한 지역에서 특히 중요하다.
미래 전망 및 결론
- 양극재의 재료 발전만으로는 다음 혁신적인 배터리 기술을 이끌어내지 못할 것이다.
- 그러나 이러한 발전은 리튬 이온 배터리의 성능, 비용, 및 환경적 발자국을 최적화하는 데 필수적이다.
- 지속적인 혁신이 산업이 증가하는 수요를 충족하고 환경적 우려를 해결하는 데 필수적이다.
Battery Cathode Innovations Promise Greener Batteries | IDTechEx Research Article
